SU792129A1 - Способ измерени скорости звука в в зкоупругих материалах - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области ультразвуковой техники и может быть использовано дл  исследований акустически методом различных в зкоупру гих .материалов. Известны способы измерени  скорости звука в материалах: пр мые, в которых скорость звука С вычисл ют по формуле где S - рассто ние, проходимое звуковой волной в исследуемом образце; t - врем  прохождени , которое определ ют импульсным методом; и косвенные, в которых скорость звука С вычисл ют по формуле С f.. где f - известна  частота звука; Д - длина звуковой волны, которую определ ют преиму цественно оптическими методами, использу   в ени  резонанса, дифракции, итерферен ции и другие 1 и 2 . Недостатками указанных способов  вл ютс  необходимость использовани  сложного электронного и другого оборудовани  дл  определени  времен прохождени  звука в исследуемом обр це в пр мых способах и длины волны звука в исследуемом образце в косвенных способах. Кроме того, эти способы неприменимы дл  исследовани  в зкоупругих материалов, например резины, оргстекла, пластмассы и т.д., так как точность измерени  в этом случае мала в следствие большой величины поглощени  ими звука. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах, заключающийс  в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной пластины ультразвуковой волнойи последующего определени  скорости звука по резонансной , частоте образца, которую наход т, измер   амплитуды падающего и отраженного от образца импульсов на различных частотах, причем по минимуму отношени  амплитуды отраженного импульса к амплитуде падающего определ ют резонансную частоту . по которой при известной толщине образца, св занной с резонансной .опиноп волны . (d - (2K+1J , где К О, 1, 2...), вычисл ют скорость звука С по формуле

Недостатка ш данного способа  вл ютс  мала  точность измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах за счет большого поглощени  ими звука , необходимость применени  электронной анализирующа  аппаратуры дл  сравнени  амплитуд пр мого и отраженного импульсов и специальных измерительных камер (заглушенные бассейны, измерительные трубы и т.п.), необходимость проведени  измерений на образцах большого размера дл  исключени  дифракционных  влений при отражении.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах и упрощение измерений.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном способе измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах , заключающемс  в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной. пластины ультразвуковой волной и последующего определени  скорости звука по резонансной частоте образца, в жидкость, температуру которой поддерживают посто нной, помещают одну поверхность испытуемого образца материала , облучают образец из жидкости непрерывной ультразвуковой волной, регистрируют температуру на противоположной стороне образца, а резонансную частоту определ ют по минимальной энергии, затраченной -ультразвуком на нагревание наблюдаемой поверхности образца до фиксированной температуры в интервале от температуры жидкости до температуры стационарного процесса теплообмена между образцом и окружающей средой.

Минимальную величину энергии, затраченной ультразвуком, определ ют по минимальной величине времени достижени  наблюдаемой поверхностью образца фиксированной температуры в зависимости от частоты ультразвука при посто нной мощности ультразвукового облучени . .

Температуру поверхности исследуемого образца регистрируют с помощью нанесенного на нее температурочувствительного жидкокристаллического сло .

На фиг. 1 изображена схема устройства дл  измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах предлагаемым способом; на фиг. 2 - крива  зависимости напр жени , подаваемого на излучатель ультразвука от частоты при стационарном процессе теплообмена; на фиг. 3 - крива  зависимости времени достижени  фиксированной температуры наблюдаемой поверхности образца от частоты ультразвука ПРИ посто нной мощности излуиени  излучател .

Устройство содержит исследуемый образец 1 с нанесенной на ее верхнюю

поверхностьпленкой 2 температурочувствительных жидких кристаллов холестерического типа, подвешенный на нит х 3 над ванной 4 с водой 5 ультразвуковым излучателем 6, соединенным с генератором 7 таким образом, что нижн   поверхность образца 1 погружена в воду.

По предлагаемому способу измерение производитс  следующим образом.

С помощью излучател  G ультразвуO ка с известной амплитудно-частотной характеристикой непрерывно облучают нижнюю поверхность образца 1, при этом ультразвукова  волна частично отра каетс  и частично поглощаетс . Энерги  поглощенной образцом ультразвуковой волны нагревает образец. Температурочувствительна  жидкокристаллическа  пленка 2 регистрирует температуру наблюдаемой поверхности образца 1 изменением своего цвета в отраженном белом свете, наблюдаемого визуально.

Температуру воды 5 устанавливают близкой к температуре соответствующей выбранному цвету температурочувствительной жидкокрист ллической пленки 2 и во врем  измерений поддерживают посто нной. Затем устанавливают частоту генератора 7 близкой к ожидаемой резонансной частоте . e,i/, , соответствующей ожидаемой скорости звука гС,;«4/д. при выбранной величине

к - 1 7

Лl,.i,J...КС;.,

Ч/ off 44Q1Л с

fiei.ojHUy

Крв.2d

Величину К выбирают исход  из частотного диапазона излучени  излучател  6 ультразвука (фиг. 2). После этого медленным изменением напр жени  подбирают такое его значение U, при котором по вл етс и сохран етс  во времени (благодар  стационарности процесса теплообмена) при подобранном напр жении синий цвет жидкокристаллической пленки 2.

Затем устанавливают новую частоту f,j генератора 7, такую что af fj - f   0,5% рез I и снова медленным изменением напр жени  подбирают такое его значение Ujj , при котором по вл етс  и сохран етс  во времени при подобранном напр жении синий цвет жидкокристаллической пленки 2. Если при этом Ujj Uy то частоту измен ют в другую сторону.

Повтор ют описанную процедуру измерени  до получени  четко выраженлого минимума напр жени  н ПР котором по вл етс  и сохран етс  синий цвет температурочувствительиой жидкокристаллической пленки 2. При определении IUUH учитывают амплитудночастотную характеристику излучател  6.

Частота, при которой подаваемое на излучатель 6 напр жение U U

5 соответствует резонансной частоте

pet . При ЭТОЙ частоте поглощение энергии ультразвука в образце максимально (резонансное поглощение). Затем определ ют скорость звука С в исследуемом образце по формуле

. С f

рв.

2d

где Л, при уже выбранной дл 

. 1Г определени  . величине К.

Минимальна  величина энергии, затраченна  ультразвуком, может быть определена также по минимальной величине времени достижени  поверхностью образца фиксированной температуры . .

Дл  этого наблюдают в исходном положении при отключенном напр жении и О на излучателе 6, например, красный цвет жидкокристаллической пленки 2, соответствующий начальной температуре образца (когда он не нагрет под действием ультразвука). Затем устанавливают частоту fy генератора 7 (фиг. 3) близкой к ожидаемой резонансной частоте f,e3 после чего подают напр жение U на излучатель 6 и измер ют врем  t , через которое по вл етс  синий цвет жидкокристаллической пленки 2. После этого выключают напр жение и ожидают возвращени  жидкокристаллической пленки 2 к первоначальному красному цвету . Затем устанавливают частоту fj

7 такую,что Л f - f -

генератора «%0,5% f,, и подают на излучатель 6

f.-.

напр жение , величина которого

соответствует той же величине излучаемой излучателем, мощности, что и в предыдущем измерении. Эту величину .подаваемого напр жени  U определ ют по амплитудно-частотной характеристике излучател . После этого измер ют новое врем  tj, за которое по вл етс  синий цвет жидкокристаллической плёнки 2. Если tj t, то частоту измер ют в обратном направлении.

Повтор ют описанную процедуру измерени  дополучени  четко выраженного минимума времени juatf за которое при посто нной мощности излучател  6 по вл етс  синий цвет жидкокристаллической пленки минимгшьно, соответствует резонансной частоте

рв9.

В случае, если волновое сопротивление исследуемого образца сильно отличаетс  от волнового сопротивлени воды, то вместо воды в ванну 4 заливают жидкость с волновым сопротивлением , близким к волновому сопротивлению исследуемого образца.

Использование предлагаемого способа измерени  скорости звука в в зк упругих материалах позвол ет повысит точность определени  скорости звука за счет физических свойств в зкоупругих материалов - большого поглоаденн

звука материалом используемого в предлагаемом способе (резонансное поглощение звука материалом ).

Кроме того, отпадает необходимость использовани  дорогосто щих - электронной аппаратуры и специальных приспособлений (заглушени  резервуаров , гидроакустических труб дл  звуковых измерений и т.п.), а также отпадает необходимость измерений на образцах большого размера в св зи

с возможностью измерений в центральной части ультразвукового пучка, так как в предлагаемом способе дифракционные  влени  не играют роли. Дл  исключени  вли ни  дифракционных  влений в

5 иммерсионном импульсном способе (прототипе ) размер отражающей пластины (исследуемого образца) - длина и ширина образца - должны превы1иать длину волны ультразвука f 10 кГц, размер

0 пластины - образца должен быть.

(15x15)см, в то врем , как при предлагаемом способе, размер образца может быть пор дка (2х2)см . Изготовление больших пластин-образцов требует большой затраты труда, так как требуетс  однородность и плоскопараллельность пластины. Дл  нежестких образцов затрудн етс  их крепление с целью исключени  деформации . Кроме того, пластины-образ1лы большого размера требулот увеличени  размеров измерительной (заглушенной) камеры, котора  необходима при применении иммерсионного импульсного способа.

Claims (2)

1. Способ измерени  скорости звука в в зкоупругих материалах, заключающийс  в облучении погруженного в жидкость исследуемого образца в виде плоскопараллельной пластины ультразвуковой волной и последующего определени  скорости звука по резонансной частоте образца, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и упрощени  измерений, в жидкость, температуру которой поддерживают посто нной, помещают одну поверхность исследуемого образца материала , облучают образец из жидкости непрерывной ультразвуковой волной/ регистрируют температуру на противоположной стороне образца, а резонансную частоту определ ют по минимальной энергии, затраченной ультразвуком на нагревание наблюдаемой поверхности образца до фиксируемой температуры в интервале температуры жидкости до температуры стационарного процесса теплообмена между обраэцом и окружающей его средой.

2. Способ по п. 1, отличающийс  тем, что минимальную величину энергии, затра«1енную ультразвуком , определ ют по минимальной